论文部分内容阅读
摘 要：本文通过对广州地铁三号线大塘~沥滘盾构区间地表塌陷的原因分析，从地质水文、地表监测、盾构推进参数等因素进行分析研究，结合工程实际，对在类似工程条件下的盾构施工提出一些建议及处理措施，为类似工程的施工提供借鉴。
关键词：地表塌陷 地质水文 盾构 姿态 同步注浆 监控量测 换刀
一、工程概况
广州地铁三号线大塘站～沥滘站区间盾构工程，工程包括左右两条圆形区间隧道，起止里程YDK9+824.2～YDK11+287.85(ZDK8+824.2～ZDK11+286), 全长4925.35m。
根据线路平纵断面设计图及地质勘测资料，塌坑处线路间距为13.0m, 隧道拱顶埋深13～14m，该段线路位于-29‰的下坡直线段，地表无建（构）筑物及地下管线通过，为果园区。盾构机上覆土层自上而下依次为：<1>耕植土层，厚0.5～1.7米，<2-1>淤泥砂土层，厚2.0～3.0米，<3-2>砂层，厚5.4～6.2米，<7>号强风化层夹<6>号全风化层，厚1.3～3.0米，洞身穿越主要为<7>号强风化层，<8>号中风化层，<9>号微风化层。
二、地表塌陷情况
左线正推进171环（ZDK9+085）时，掘进速度明显下降，线路左侧突发地表沉陷，沉陷面积约40平方米，塌陷深3.0米。推進181环（ZDK9+100）时，线路左侧又再次发生地表沉陷，沉陷面积约30平方米，塌陷深2.5米。
三、塌陷的原因分析
3.1地质，水文的特殊性，引起地表塌陷
在刀盘前1.5米的1号点（ZDK9+104）及塌坑2号点（ZDK9+101）,3号点（ZDK9+094）补充地质钻孔，其地质柱状断面图如下：
从地质断面图可看出，刀盘前方开挖面大部分为（8）中风化岩层，（9）号微风化岩层，洞身上半部显露（7）强风化层夹（6）全风化层，洞顶上覆土层依次为<7>号强风化层夹（6）夹层,<3-2>砂层，﹙2-1﹚淤泥砂土层。显然刀盘处于典型的上软下硬的特殊地层。
从出土的碴样分析，含水量较大，占体积的60％以上，中，细砂占体积的25％以上，其余为碎石及泥占体积的15％，碎石中明显出现了（8）中风化层，（9）微风化岩层的特性。盾构机原设置的软岩刀具已不适应对（8）中风化岩层，（9）号微风化岩层硬岩的切割，致使推进速度减慢（2～6mm/min）,推力达10000KN以上，扭矩达2000KN.m以上。
3.2出土量超标，注浆量不足，引起地表塌陷：
两次塌陷时，采用土压平衡模式进行掘进，通过控制螺旋输送机的出土速度与刀盘切割岩层的碴土速度来控制土压平衡，值得注意的是，在推进180环时，仅推进400mm,出土量就高达40m3,大于理论出土量25 m3，虽然土压平衡是建立的，但是出土量却远远大于理论出土量，也就是说在盾构机推进时，螺旋输送机，皮带输送机源源不断将地层塌陷的土运出，与盾构推进进尺明显不符，同时在出土的渣样出现隧道断面内不可能出现的<3-2>砂层，说明地表已发生塌陷。
此外，推进过程中通过同步注浆填充盾尾的建筑空隙（14cm），能有效的防止地表沉陷。推进161环～181环时，实际注浆量每环（1.5m）为5.0 m3，根据<7>、<8>是岩层强风化、中等风化带的渗透系数K=0.75～1.45m/d及浆液的损失系数取5％，按经验统计其浆液的扩散系数应为1.5，每环理论注浆量Q=1.5×π×(R2-r2)×1.5＝1.5×π×(3.142-3.02)×1.5＝6.07 m3,显然实际注浆量小于理论注浆量1.0 m3，这样盾尾的建筑空隙未填充密实，引起地表塌陷。
四、处理措施
根据以上地表坍塌的原因分析，决定首先对盾构机体上部土体进行注浆加固，然后开仓检查并更换刀具。经分析认为，有三种处理方案理论可行：对坍坑回填后，对盾构机上部<3-2>砂层进行注浆加固；对盾构机上部施作旋喷桩（搅拌桩）对土体改良加固；在盾构机体四周施作一圈水泥桩以形成一圈止水帷幕，然后对该范围施作袖筏管注浆加固。
4.1第一步加固措施：
针对以上地表坍塌的原因分析，并考虑到工期等因素，决定采用对坍坑回填后，对盾构机上部<3-2>砂层进行注浆加固的施工方案。采用Φ110袖筏管对砂层进行单液浆注浆加固，加固层厚2m，在盾构机上部形成一隔水固化的砂层，以确保在开仓换刀时刀盘上部土体的稳固。
根据地层地质条件及注浆目的，注浆材料选择为纯水泥浆，水灰比为0.75～1，掺入0.3～0.5%减水剂，2%速凝剂。注浆孔布置为1.0×1.0m梅花型布置。加固范围为10.55×8.25m（盾构机体范围外1m）。
施工完毕后，在准备开仓过程空仓时，坍坑再次发生塌陷，立即停止排土，并强行将盾构机向前推进以使土仓内有足够的压力以维持掌子面的稳定以避免坍坑继续塌陷。
随着坍坑第二次的塌陷的发生，即第一次注浆加固措施失效。经分析总结认为，以下因素是造成首次方案失败的原因：<3-2>富含水砂层与珠江水系有很强的水力联系，在珠江水系潮起潮落过程中，砂层中的水有较强的流动性，造成在注入水泥浆时浆液不能及时凝结便被水稀释带走，达不到预期的效果；纯水泥浆初凝时间较长，在富含水砂层中更长，不能有效凝结；在砂层中注浆，浆液四处串走，不易达到在指定区域凝结的效果。
4.2第二次加固措施
根据第一次注浆加固经验教训，经分析后决定采用：在盾构机体四周施作一圈φ300水泥桩以形成一圈止水帷幕，然后对该范围施作袖筏管注浆加固（见插图4：加固平面示意图）。
水泥护桩嵌入<8>号中风化岩层，在盾构机体部位应根据机体面标高，钻孔时严格控制钻入深度，到盾壳面即止，以保证浆液不能外串。水泥护桩采用灌入纯水泥浆，加入2～3%早强剂。
施工时采用跳孔施工（隔3孔进行施工），水泥浆水灰比0.5。
在施工水泥护桩时钻袖筏管注浆孔，预埋袖筏管时孔口采用双快水泥砂浆进行封堵，封堵深度不小于0.5m，以便提前袖筏管注浆时间，加快施工进度。袖筏管孔钻深18m，并嵌入<8>号中风化岩层不小于0.5m，盾构机体部位钻至盾壳面为止。
袖筏管注浆先注入单液浆，后注入水泥-水玻璃双液浆，注浆压力2～3MPa。水泥浆水灰比控制在0.6～0.8以内；双液浆，水泥浆：水玻璃=4：1（体积比）。
袖筏管注浆完成3天后，试着慢慢空仓，同时对地面进行严密监控量测，地面情况稳定。打开土仓后，掌子面情况稳定，基岩裂隙水泥浆充填密实，土仓内有水泥浆沉积。更换刀具后推进情况正常。
五、结束语
地表沉降是地铁施工中的一大难题，本文通过对塌坑产生的机理进行分析研究，对在复杂地层条件下的盾构施工提供借鉴，同时通过对塌陷地层的加固处理，减少地表过大的沉降，安全换刀创造了条件，为在类似工程条件的盾构施工提供借鉴，以避免造成更大的损失。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：地表塌陷 地质水文 盾构 姿态 同步注浆 监控量测 换刀
一、工程概况
广州地铁三号线大塘站～沥滘站区间盾构工程，工程包括左右两条圆形区间隧道，起止里程YDK9+824.2～YDK11+287.85(ZDK8+824.2～ZDK11+286), 全长4925.35m。
根据线路平纵断面设计图及地质勘测资料，塌坑处线路间距为13.0m, 隧道拱顶埋深13～14m，该段线路位于-29‰的下坡直线段，地表无建（构）筑物及地下管线通过，为果园区。盾构机上覆土层自上而下依次为：<1>耕植土层，厚0.5～1.7米，<2-1>淤泥砂土层，厚2.0～3.0米，<3-2>砂层，厚5.4～6.2米，<7>号强风化层夹<6>号全风化层，厚1.3～3.0米，洞身穿越主要为<7>号强风化层，<8>号中风化层，<9>号微风化层。
二、地表塌陷情况
左线正推进171环（ZDK9+085）时，掘进速度明显下降，线路左侧突发地表沉陷，沉陷面积约40平方米，塌陷深3.0米。推進181环（ZDK9+100）时，线路左侧又再次发生地表沉陷，沉陷面积约30平方米，塌陷深2.5米。
三、塌陷的原因分析
3.1地质，水文的特殊性，引起地表塌陷
在刀盘前1.5米的1号点（ZDK9+104）及塌坑2号点（ZDK9+101）,3号点（ZDK9+094）补充地质钻孔，其地质柱状断面图如下：
从地质断面图可看出，刀盘前方开挖面大部分为（8）中风化岩层，（9）号微风化岩层，洞身上半部显露（7）强风化层夹（6）全风化层，洞顶上覆土层依次为<7>号强风化层夹（6）夹层,<3-2>砂层，﹙2-1﹚淤泥砂土层。显然刀盘处于典型的上软下硬的特殊地层。
从出土的碴样分析，含水量较大，占体积的60％以上，中，细砂占体积的25％以上，其余为碎石及泥占体积的15％，碎石中明显出现了（8）中风化层，（9）微风化岩层的特性。盾构机原设置的软岩刀具已不适应对（8）中风化岩层，（9）号微风化岩层硬岩的切割，致使推进速度减慢（2～6mm/min）,推力达10000KN以上，扭矩达2000KN.m以上。
3.2出土量超标，注浆量不足，引起地表塌陷：
两次塌陷时，采用土压平衡模式进行掘进，通过控制螺旋输送机的出土速度与刀盘切割岩层的碴土速度来控制土压平衡，值得注意的是，在推进180环时，仅推进400mm,出土量就高达40m3,大于理论出土量25 m3，虽然土压平衡是建立的，但是出土量却远远大于理论出土量，也就是说在盾构机推进时，螺旋输送机，皮带输送机源源不断将地层塌陷的土运出，与盾构推进进尺明显不符，同时在出土的渣样出现隧道断面内不可能出现的<3-2>砂层，说明地表已发生塌陷。
此外，推进过程中通过同步注浆填充盾尾的建筑空隙（14cm），能有效的防止地表沉陷。推进161环～181环时，实际注浆量每环（1.5m）为5.0 m3，根据<7>、<8>是岩层强风化、中等风化带的渗透系数K=0.75～1.45m/d及浆液的损失系数取5％，按经验统计其浆液的扩散系数应为1.5，每环理论注浆量Q=1.5×π×(R2-r2)×1.5＝1.5×π×(3.142-3.02)×1.5＝6.07 m3,显然实际注浆量小于理论注浆量1.0 m3，这样盾尾的建筑空隙未填充密实，引起地表塌陷。
四、处理措施
根据以上地表坍塌的原因分析，决定首先对盾构机体上部土体进行注浆加固，然后开仓检查并更换刀具。经分析认为，有三种处理方案理论可行：对坍坑回填后，对盾构机上部<3-2>砂层进行注浆加固；对盾构机上部施作旋喷桩（搅拌桩）对土体改良加固；在盾构机体四周施作一圈水泥桩以形成一圈止水帷幕，然后对该范围施作袖筏管注浆加固。
4.1第一步加固措施：
针对以上地表坍塌的原因分析，并考虑到工期等因素，决定采用对坍坑回填后，对盾构机上部<3-2>砂层进行注浆加固的施工方案。采用Φ110袖筏管对砂层进行单液浆注浆加固，加固层厚2m，在盾构机上部形成一隔水固化的砂层，以确保在开仓换刀时刀盘上部土体的稳固。
根据地层地质条件及注浆目的，注浆材料选择为纯水泥浆，水灰比为0.75～1，掺入0.3～0.5%减水剂，2%速凝剂。注浆孔布置为1.0×1.0m梅花型布置。加固范围为10.55×8.25m（盾构机体范围外1m）。
施工完毕后，在准备开仓过程空仓时，坍坑再次发生塌陷，立即停止排土，并强行将盾构机向前推进以使土仓内有足够的压力以维持掌子面的稳定以避免坍坑继续塌陷。
随着坍坑第二次的塌陷的发生，即第一次注浆加固措施失效。经分析总结认为，以下因素是造成首次方案失败的原因：<3-2>富含水砂层与珠江水系有很强的水力联系，在珠江水系潮起潮落过程中，砂层中的水有较强的流动性，造成在注入水泥浆时浆液不能及时凝结便被水稀释带走，达不到预期的效果；纯水泥浆初凝时间较长，在富含水砂层中更长，不能有效凝结；在砂层中注浆，浆液四处串走，不易达到在指定区域凝结的效果。
4.2第二次加固措施
根据第一次注浆加固经验教训，经分析后决定采用：在盾构机体四周施作一圈φ300水泥桩以形成一圈止水帷幕，然后对该范围施作袖筏管注浆加固（见插图4：加固平面示意图）。
水泥护桩嵌入<8>号中风化岩层，在盾构机体部位应根据机体面标高，钻孔时严格控制钻入深度，到盾壳面即止，以保证浆液不能外串。水泥护桩采用灌入纯水泥浆，加入2～3%早强剂。
施工时采用跳孔施工（隔3孔进行施工），水泥浆水灰比0.5。
在施工水泥护桩时钻袖筏管注浆孔，预埋袖筏管时孔口采用双快水泥砂浆进行封堵，封堵深度不小于0.5m，以便提前袖筏管注浆时间，加快施工进度。袖筏管孔钻深18m，并嵌入<8>号中风化岩层不小于0.5m，盾构机体部位钻至盾壳面为止。
袖筏管注浆先注入单液浆，后注入水泥-水玻璃双液浆，注浆压力2～3MPa。水泥浆水灰比控制在0.6～0.8以内；双液浆，水泥浆：水玻璃=4：1（体积比）。
袖筏管注浆完成3天后，试着慢慢空仓，同时对地面进行严密监控量测，地面情况稳定。打开土仓后，掌子面情况稳定，基岩裂隙水泥浆充填密实，土仓内有水泥浆沉积。更换刀具后推进情况正常。
五、结束语
地表沉降是地铁施工中的一大难题，本文通过对塌坑产生的机理进行分析研究，对在复杂地层条件下的盾构施工提供借鉴，同时通过对塌陷地层的加固处理，减少地表过大的沉降，安全换刀创造了条件，为在类似工程条件的盾构施工提供借鉴，以避免造成更大的损失。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。